Hvad er en kvartsoscillator?

En kvartsoscillator er et elektronisk kredsløb, der genererer et signal ved en frekvens bestemt af en kvartskrystall dannet af silicium og ilt. Den piezoelektriske egenskab ved kvarts gør den til en meget god resonator fra snesevis af Kilohertz (KHz) til hundreder af Megahertz (MHz). En kvarts krystaloscillator er typisk designet til kun at fungere på en enkelt præcis frekvens. Disse oscillatorer bruges til at skabe stabile frekvenser i mobiltelefoner, GPS (GPS) -modtagere og to-vejs radioer. De bruges også til præcis timekeeping i ure, computere og andet elektronisk udstyr.

En krystal af piezoelektrisk materiale såsom kvarts kan ændre form lidt, når en spænding påføres en elektrode på krystallen. Når denne spænding er fjernet, kan krystallen vende tilbage til sin oprindelige form og generere en spænding, når den gør det. Denne egenskab blev opdaget i 1880 og kaldet piezoelektricitet og er kritisk for driften af ​​en oscillator. Eksperimenter blev udført med forskellige krystalmaterialer over tid, og den første kvartsoscillator blev samlet i slutningen af ​​1910'erne. Siden 1920'erne er kvartskrystalloscillatorer ofte blevet brugt i ure såvel som amatør-, kommercielt og militært radioudstyr.

Når en kvartsoscillator først tændes, introducerer kredsløbet et tilfældigt støjsignal til krystallen. Nogle af denne støj vil altid være på krystalens resonansfrekvens, hvilket får krystallen til at svinge. Spændingen, der produceres af krystallen, når den ændrer form, forstærkes af kvartsoscillatorkredsløbet og føres tilbage til krystalresonatoren. Efterhånden som denne proces gentager sig, bliver signalerne inden i krystalets begrænsede frekvensbånd stærkere, mens andre frekvenser filtreres ud. Når denne "opvarmningsperiode" er afsluttet, fungerer oscillatoren nøjagtigt med sin designede frekvens.

Formen, størrelsen og udskæringen af ​​en kvartsskrystall bestemmer, hvor hurtigt den udvides og sammentrækkes. En kvartsoscillator kan arbejde med denne hastighed, kaldet dens resonansfrekvens. Det kan også fungere med en overtonefrekvens, som er en multipel af resonansfrekvensen. Mens kvartskrystaller forekommer naturligt i miljøet, fremstilles et meget stort antal for at øge udbyttet og udbuddet af fysisk anvendelige krystaller.

Frekvensudgangen fra en kvartsoscillator kan påvirkes af en række eksterne faktorer, herunder temperatur og endda pludselig acceleration. Stråling vil også påvirke frekvensen, hvad enten det er fra kosmiske stråler i et rumfartøj, røntgenstråler eller en puls af ioniserende stråling. Nogle af disse faktorer kan kompenseres med ekstra kredsløb, der overvåger forholdene og justerer oscillatorudgangen i overensstemmelse hermed. Nogle kvartsoscillatorer inkluderer en nøjagtigt kontrolleret ovn med krystallen inde for at kompensere for temperaturændringer. Kvartskrystaller kan også "fejes" eller hærdes mod stråling ved at bage dem i en specialiseret atmosfære og elektrisk felt.